半导体行业系列专题：新能源汽车重塑功率半导体价值.pdf

请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 行业 研究 Page 1 证券研究报告 深度报告 电子元器件 Table_IndustryInfo 半导体行业系列专题 超配 2021 年 01 月 03 日 一年该行业与 上证综指 走势比较 行业专题 新能源汽车 重塑功率 半导体 价值 汽车“ 四 化” 趋势明确，对 半导体 需求价值 量 倍增 汽车行业向电动化、智能化 、 数字化 及联网化 方向发展，直接带动汽车 含硅量提升。 新能源 电动 汽车的出现意味着 传统汽车的核心竞争要素将 被取代，产品价值链被重塑。 新能源车中对于电力控制的需求大幅增加，功率器件中特别是 IGBT 是 工业控制及自动化领域的核心元器件，其通过信号指令来调节电路中的 电压、电流等以实现精准调控的目的，保障电子产品、电力设备正常运 行，同时降低电压损耗，使设备节能高效。 汽车半导体作为汽车电动化 关键载体之一， 需求价值 成倍增长 ， 据估算 纯电动车单车 的 半导体 总 价 值量 相比 传统 汽 车 提升 70%以上 。 新能源汽车 行业销量将快速增长 新能源汽车具有 成本、效率和环保 等优势 ， 2020 年 11 月国务院印发 新 能源汽车产业发展规划（ 2021 2035 年） ，提出 2025 年 新能源汽车新 车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右 ， 年总销量将达到 500-600 万辆， 相比 2020 年 120 万辆销量，未来 5 年新能源汽车每年增速约 40%， 意味着未来汽车 行业景气度 将持续 高企 。 按照我国新能源汽车产量有望 在 2025 年实现 600 万辆左右估算，预计国内新能源车功率器件市场空 间 将增至 160 亿元。 新能源汽车 带来 功率半导体 量价 齐 升 价值量上 ， 新能源车半导体价值量从传统的 450 美元提升至 750 美元。 其中 功率半导体价值量提升最多 ， 占比 从传统汽车的 10%左右提升至 纯 电动汽车的 55%，提升幅度达到 9 倍， 单车价值量 将达到 455 美元 。 例 如特斯拉的三相交流异步电机，每相用 28 个 IGBT 累计 84 个，其他电 机 12 个 IGBT，特斯拉总共用到 96 个 IGBT， 单车 IGBT 价值约 400 美 元左右。 功率半导体 持续 创新升级， 国产化 龙头企业 替代空间大 目前车规级 功率半导体 国产化程度不高，替代空间大。 汽车功率半导体 前 5 大企业主要为英飞凌、 STM 等外资企业， 全球 市占率达到 63%。 技 术上，功率半导体处于第二代 Si 基往第三代 SiC/GaN 等衬底材料升级 过程中 ，产品还在持续创新 。在 国内 整体市场需求 快速增长 的同时 ，技 术 创新 还在 持续 升级 ， 给 国产企业 带来较好的 弯道超车机会。 推荐： 三 安光电、 斯达半导、华润微 等龙头公司。 风险提示。 新能源车行业销量不及预期；龙头公司客户进展不及预期等 。 重点公司盈利预测及投资评级 公司 公司 投资 昨收盘 总市值 EPS PE 代码 名称 评级 （元） （百万元） 2020E 2021E 2020E 2021E 600703 三安光电 增持 27.01 120,987 0.35 0.50 77 54 603290 斯达半导 增持 240.90 38,544 1.60 2.22 151 109 688396 华润微 买入 62.49 75,983 0.81 1.24 78 50 资料来源： Wind、国信证券经济研究所预测 相关研究报告： 国信证券 -中芯国际被美国商务部列入实体 清单事件点评：半导体产业链国产化仍是未来 投资重点，优选龙头 2020-12-21 半导体行业系列专题：八英寸晶圆代工为什 么涨价？ 2020-12-14 2020 年 12 月电子行业投资策略：看好功率 半导体景气度，关注消费电子及面板龙头 2020-12-14 半导体封测行业：半导体产业高景气，封测 行业龙头迎来业绩弹性 2020-12-09 电子行业 2021 年投资策略：电子产业链的 价值延伸：品牌、技术 2020-11-17 证券分析师：欧阳仕华 电话： 0755-81981821 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980517080002 证券分析师：梁超 电话： 0755-22940097 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980515080001 证券分析师：许亮 电话： 0755-81981025 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980518120001 证券分析师：唐旭霞 电话： 0755-81981814 E-MAIL： 证券投资咨询执业资格证书编码： S0980519080002 独立性声明： 作者保证报告所采用的数据均来自合规渠 道，分析逻辑基于本人的职业理解，通过合 理判断并得出结论，力求客观、公正，其结 论不受其它任何第三方的授意、影响，特此 声明 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 J/20 M/20 M/20 J/20 S/20 N/20 上证综指 电子元器件 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 2 投资摘要 关键结论与投资建议 百年汽车变革加速， 数字化、 电动化、 智能化背景下，汽车将从交通工具向智 能移动终端升级（运行效率提升、车内空间提供多场景服务等），提升用户出行 体验，增加价值创造。 汽车产业有望成为半导体行业未来核心增量应用场景。 一方面，汽车智能网联化带来信息流大量增加，汽车电子电气（ EE）架构将迎 来升级 。 如同中国古代历史社会组织结构变化，从诸侯分封 -春秋五霸 -一统天下， 汽车架构从分布式 -域集中式 -中央计算式逐渐进化，当前正处于分布式向域集中 式过渡阶段，从全车 100 余 ECU 到 5 个 DCU，控制功能迅速集中，作为“地 方割据势力的决策中心”的域控制器走上历史舞台。 2020 年 4 月国信汽车发布 的汽车前瞻研究系列七：域控制器，承启汽车 L3 时代，对智能网联化发展 趋势下的汽车行业中域控制器的应用进行展望。 另一方面，随着全球范围内能源革命的兴起 ， 新能源汽车将成为行业发展趋势。 由于驱动方式的改变，新能源车的整体结构发生了巨大变化，传统汽车的核心 竞争要素将被硬件、软件和服务取代， 产品价值链被重塑 。汽车半导体作为汽 车电动化的关键载体之一，含量成倍增长，功率半导体作为核心组成部分，具 有最大价值量提升。 本篇报告就从电动化背景下进行展开，分析功率半导体在 新能源汽车市场的广泛应用前景。 车规级功率半导体成长空间巨大，下游新能源汽车市场的放量将直接拉动功率 半导体市场。聚焦细分赛道，随着国内功率器件技术的快速发展，车规级 IGBT 国产化替代空间大， SiC 功率器件目前 处于发展初期，在政策和资本的大力支 持下，国内厂商有望在增量市场占得一定份额。 我们建议关注： 斯达半导，三安光电 ，华润微， 比亚迪， 新洁能 ，扬杰科技， 捷捷微电 等相关上市公司。 核心假设或逻辑 第一， 全球新能源汽车将在未来五年内迅速发展，市场需求将大幅增加。 第二， 下游新能源汽车市场放量将拉动车规级功率器件需求。 第三， 国内功率器件厂商在汽车市场持续投入，开发产品 与市场预期不同之处 第一，新能源汽车使得汽车产品价值链被重塑，汽车半导体倍增，通过对新能 源汽车与传统燃料汽车价值量进行拆分，推算出车规级功率半导体成长 空间。 第二，从汽车电动化后半导体分布的位置及功能看，我们得出功率半导体器件 量价增加的细分赛道为 IGBT 和 SiC MOSFET。 第三，对 IGBT 和 SiC MOSFET 细分赛道分析， IGBT 国产化替代空间大， SiC 功率器件处于跑马圈地阶段，国内厂商有望在增量市场占得一定份额。 核心假设或逻辑的主要风险 第一， 新能源汽车市场增长不及预期。 第二， 欧美新能源汽车市场爆发，抢占国产赛道。 第三， 科技研发不及预期，车规级功率器件国产化不及预期。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 3 内容目录 新能源汽车时代，汽车半导体迎来大机会 . 5 新能源汽车对能量转换需求有望推动功率器件大发展 . 5 新能源汽车市场概况 . 6 多重因素驱动下，新能源汽车景气度高企 . 6 多角度因素考虑，新能源汽车优势明显 . 7 汽车电动化推动功率半导体量价齐升 . 8 汽车电子拉动半导体整体需求 . 8 汽车电动化，半导体价值倍增 . 8 新能源汽车半导体主赛 道：功率半导体 . 9 新能源汽车功率半导体市场空间测算 . 9 细分赛道一： IGBT，汽车动力系统的 “CPU” . 10 细分赛道二：第三代半导体 SiC 等器件崭露头角 . 14 国内外功率半导体代表公司 . 18 国内主要功率半导体公司 . 18 国外主要竞争对手 . 19 风险提示 . 22 国信证券投资评级 . 24 分析师承诺 . 24 风险提示 . 24 证券投资咨询业务的说明 . 24 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 4 图 表 目录 图 1： 英飞凌电动车解决方案 . 5 图 2： 传统燃料汽车和纯电动汽车不同种类半导体占比情况 . 5 图 3： 2020 年单月国内新能源车销量 . 6 图 4： 不同程度电动化汽车的碳排放量比较 . 6 图 5： 全球及中国汽车销量概况 . 6 图 6： 中国汽车电动化进程 . 7 图 7： 全球各地区乘用车碳排放要求 . 7 图 8： 不同程度电动化汽车的碳排放量比较 . 7 图 9： 2010-2019 年全球半导体市场应用结构 . 8 图 10： 2010-2019 汽车半导体在半导体中占比变化 (%) . 8 图 11： 汽车半导体组件物料成本分布（美元） . 8 图 12： 各功率器件适用参数范围 . 9 图 13： 新能源汽车新增主要功率器件分布图 . 9 图 14： 世界新能源车功率半导体市场空间（亿元） . 10 图 15： 国内新能源汽车功率半导体市场空间（亿元） . 10 图 16： IGBT 工作原理 . 10 图 17： IGBT 各代产品结构图 . 11 图 18：电控系统的成本结构 . 12 图 19： 全球 IGBT 市场规模（亿美元） . 12 图 20： 中国 IGBT 市场规模（亿元） . 12 图 21： 全球 IGBT 模组供应商前十名（ 2018） . 13 图 22： 2019 年汽车功率半导体龙头公司 . 13 图 23：功率半导体材料发展 . 14 图 24：宽禁带半导体更适用于高电压、高功率领域 . 15 图 25： Rohm 对 SiC MOSFET 在汽车应用中的进度预测 . 15 图 26： SiC 功率模块带来的逆变器升级 . 15 图 27：用于各模块的 SiC 功率器件市场情况 (百万美元 ) . 16 图 28：全球 SiC 供应链 . 16 图 29：国内 SiC 供应链 . 17 图 30： Infineon 营业收入及增速 . 19 图 31： Infineon 净利润及增速 . 19 图 32： Infineon 盈利能力 . 20 图 33： Infineon 研发投入 . 20 图 34： Infineon 近 20 年汽车半导体收入情况 . 20 图 35： Infineon 汽车事业部收入 (百万 /欧元 ) . 20 图 36： Infineon 2020 年各细分领域收入情况 . 20 图 37： Infineon 近五年市盈率（ TTM）变化 . 21 图 38：英飞凌对未来新能源汽车渗透率预测 . 21 图 39：三菱电机营业收入及增速 . 22 图 40：三菱电机净利润及增速 . 22 图 41：三菱电机盈利能力 . 22 图 42：三菱电机研发投入 . 22 表 1：新能源汽车功率器件分布 . 9 表 2：主流功率半导体性能比较 . 10 表 3： IGBT 历代技术比较 . 11 表 4： 2019 年中国新能源汽车功率模块市场份额 . 13 表 5：三代半导体材料特性参数比较 . 14 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 5 新能源汽车 时代， 汽车 半导体 迎来 大机会 新能源汽车 对能量转换需求 有望 推动功率器件大发展 随着 汽车电动化、智能化、网联化 等发展 ， 汽车电子 迎来 结构性变革 大机会 。 在传统燃料汽车中，汽车电子主要分布于 动 力传动系统、车身、安全、娱乐等 子系统中。按照功能 划分，汽车半导体可大致分为功率半导体（ IGBT 和 MOSFET 等）、 MCU、传感器及其他 等元器件 。 对于新能源汽车而言，汽车不再使用汽油发动机、油箱或变速器， “三电系统” 即 电池、电机、电控 系统取而代之，新增 DC-DC 模块、电机控制系统、电池 管理系统、高压电路等部件。相应地实现能量转换及传输的核心器件功率半导 体含量大大增加 。 因此从半导体种类上看，传统燃料汽车中 MCU 含量最高 （ 23%），而新能源汽车中功率半导体含量最高（ 55%）。 图 1： 英飞凌电动车解决方案 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所 整理 图 2： 传统燃料汽车和纯电动汽车不同种类半导体占比情况 资料来源： StrategyAnalytics，国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 6 新能源汽车市场概况 目前，我国 2020 年前三季度整体乘用车销量 1337.6 万辆，其中新能源车销量 为 65 万辆，而假设每个月 200 万辆销量， 占比不到 5%。预计 2020 年 新能源 销量在 120 万辆左右 ，市场渗透率 4.8%。 2025 年渗透率目标为 20%，要实现 该目标意味着接下来 5 年新能源汽车占比要 提升 15%，每年 渗透率平均提升 约 3%，对应约 75 万辆的增量。 图 3： 2020 年单月国内新能源车销量 图 4： 不 同程度电动化汽车的碳排放量比较 资料来源： 乘联会 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： Yol，国信证券经济研究所整理 展望 2021 年，我国将成为拉升新能源车增量的主要地区：一方面，多项政策 拉动车辆销售与充电站设立；另一方面，对外牌车施行严格限行措施的一线城 市如上海，新能源车牌不在限行规范内等，在多方面的刺激下，新能源车的销 售将回升至全球平均值之上 。 多重因素驱动下， 新能源汽车 景气度高企 全球汽车市场规模超过 3.5 亿美元， 年均 销量 9000 万辆 左右 ，汽车行业成为一 个庞大的支柱性产业。 2009 年中国汽车销量首次超越美国，至今已连续 11 年 稳居全球第一大汽车市场，近几年汽车销量稳定在 2500 万辆 /年 左右。 2010 年新能源汽车被国务院确定为七大战略性新兴产业之一，行业于 2014 年 后开始进入高速增长通道，从 2015 年开始 国内新能源车销量 稳居全球第一。 2019 年中国新能源汽车销量共计 120.6 万辆，占全球 221 万辆的一半以上。 2020 年 11 月， 国务院办公厅印发了新能源汽车产业发展规划（ 2021-2035） 图 5： 全球及中国汽车销量概况 资料来源： 中汽协 ， 国际汽车制造商协会 ， 国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 7 （以下简称规划），提出到 2025 年，新能源汽车新车销量将达到汽车总销 量的 20%，预计 500-600 万辆 。 未来 5 年中国的新能源汽车行业将迎来 近 40% 的复合增速 ，显示行业超高的景气度 。 多角度因素考虑，新能源汽车优势明显 在成本、效率和环保的驱动下，新能源汽车注定成为未来汽车的主流形态： 从成本角度看 ，目前国家补贴和地方政府补贴相对较高，同时新能源汽车能耗 费用以及保养费用较低，从车辆的全生命周期角度看， 新能源汽车的全生命周 期成本低于燃油汽车。 从技术角度看 ，在汽车智能化大趋势下，电动汽车在承接自动驾驶性能方面更 具优势。和燃油车相比，电动车整体结构更加简化，计算机和其他电子设备更 易与汽车控制器接口衔接，与智能网联汽车相结合更具能耗优势。 从环保角度看 ，欧美继续推行严格的排放标准，美国加州政府要求 2035 年起， 加州销售的每辆新车必须实现零排放。我国新能源汽车产业发展规划中提出到 2025 年，新能 源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的 20%左右。 图 7： 全球各地区乘用车碳排放要求 图 8： 不 同程度电动化汽车的碳排放量比较 资料来源： ICCT，国信证券经济研究所整理 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 图 6： 中国汽车电动化进程 资料来源： 中汽协 ， 国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 8 汽车 电动化 推动 功率 半导体量价齐升 汽车 电子 拉动半导体 整体 需求 从传统 燃料 汽车到新能源汽车，半导体在汽车领域的占比逐年增加 ， 汽车含硅 量大大提升 。 2019 年全球半导体行业市场规模为 4121 亿美元，其中汽车行业 贡献 12.3%的营收。 2010-2019 年汽车成为半导体行业 需求 增长最快的行业， 年复合增速高达 9.2%，远高于半导体行业整体 3.7%的增速水平 。 图 9： 2010-2019 年全球半导体市场应用结构 图 10： 2010-2019 汽车半导体在半导体中占比变化 (%) 资料来源： 世界半导体理事会 ， 赛迪顾问 ，国信证券经济研究所整理 资料来源： 世界半导体理事会 ， 赛迪顾问 ， 国信证券经济研究所整理 汽车电动化，半导体 价值 倍增 从单车半导体价值量 看，混动汽车和纯电动车半导体价值分别为 735 美元和 750 美元，相比传统燃油汽车 450 美元大大增加。 在 传统燃油汽车中，功率半导体主要用在启动、停止和 行车 安全等领域 。 按照 传统汽车中半导体价值 450 美元，功率器件为 50 美元，占比 10%左右 。 由于 新能源汽车电池动力模块都需要功率半导体，混合动力汽车的功率器件占比 增 至 40%，纯电动汽车的功率器件占比 增至 55%。 按照纯电动汽车半导体单车价 值 750 美元计算，功率半导体单车价值量 约为 455 美元 ,相比传统汽车新能源车 队功率半导体 需求提升接近 9 倍。 图 11： 汽车半导体组件物料成本分布（美元） 资料来源： Trendforce，英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 9 新能源汽车 半导体 主赛道：功率半导体 相较于燃油汽车，电动车新增功率器件的需求主要有三个方面：逆变器中的 IGBT 模块； OBC、 DC/DC 中的高压 MOSFET；辅助电器中的 IGBT 分立器件。 功率半导体是新能源汽车价值量提升最多的部分， 需求端 主要为 IGBT、 MOSFET 及 多个 IGBT 集成 的 IPM 模块 等产品 ， 核心 用于大电流和大电压的环 境。 图 12： 各功率器件适用参数范围 图 13： 新能源汽车新增主要功率器件分布图 资料来源：英飞凌，国信证券经济研究所整理 资料来源： Rohm， 英飞凌 ，国信证券经济研究所整理 根据英飞凌介绍，从器件对应功率看，当功率从 100kW 增加到 200kW 以上， 对应的器件从 IGBT 到 SiC MOSFET 过渡 。 根据应用场景不同，具体对应不同 的功率器件。 表 1：新能源汽车功率器件 分布 MHEV FHEV PHEV BEV 电机逆变器 MOSFET/IGBT（ 5-20 kW） IGBT (20-150 kW) DC/DC MOSFET (1.5-3 kW) 高压辅助驱动 IGBT/IPM (20-40 kW) OBC 充电 /逆变 IGBT (0-40 kW) MOSFET (3-6 kW) 电源管理 IC BMS ICs 资 料来源：英飞凌、 Rohm、国信证券经济研究所整理 新能源汽车功率半导体市场空间测算 根据全球新能源 乘用车销售量预计 2025 年约 2100 万辆推算，按微混（ 525 元）、 插电混动（ 2100 元）和纯电 (3185 元 )三类车型功率器件成本估算， 2025 年全 球新能源汽车功率半导体市场空间约 370 亿元。 按照 我国新能源汽车产量有望在 2025 年实现 600 万辆 左右 估算 ， 考虑功率半 导体价格 涨幅 ，按纯电动车 EV 功率器件 800-3500 元 /辆，插电混动车 PHEV （燃油动力系统上外挂电动系统）功率器 件 均为 2100 元 /辆，预计国内新能源 车功率器件市场空间 2025 年 将增至 160 亿元。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 10 图 14： 世界新能源车功率半导体市场空间（亿元） 图 15： 国内新能源汽车功率半导体市场空间（亿元） 资料来源： LMC Automotive， 国信证券经济研究所整理 资料来源： 世界半导体理事会 ， 赛迪顾问 ， 国信证券经济研究所整理 细分赛道一： IGBT，汽车动力系统的“ CPU” IGBT（ Insulated Gate Bipolar Transistor）即绝缘栅双极型晶体管 ， 是国际上 公认的电力电子技术第三次革命最具代表性的产品 。 IGBT 是工业控制及自动化 领域的核心元器件，其作用类似于人类的心脏，能够根据工业装置中的信号指 令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等，以实现精准调控的目的 。 保障 电子产品、电力设备正常运行，同时降低电压损耗， 使设备 节能高效 。 图 16： IGBT 工作原理 资料来源：功率半导体器件 ，国信证券经济研究所 整理 IGBT 是由 MOSFET 和 BJT 组成的复合功率半导体器件 ，既具备 MOSFET 输 入阻抗高、控制功率小、驱动电路简单 、开关速度快的优势，也具备 BJT 通态 电流大 、 通电压低、损耗小 等优点。其在高压、高速、大电流等方面相比其他 功率半导体器件具备明显优势，是未来功率半导体应用的主要发展方向。 表 2：主流功率半导体性能比较 性能指标 IGBT MOSFET BJT 驱动方式 电压 电压 电流 驱动电路 简单 简单 复杂 输入阻抗 高 高 低 驱动功率 高 低 低 工作频率 居中 高 低 饱和压降 高 高 低 开关速度 居中 高 低 资料来源：电力电子基础，国信证券经济研究所预测 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 11 从上世纪 80 年代至今， IGBT 经历了数代更新发展， 从平面穿通型（ PT）到沟 槽型电场 截止型（ FS-Trench），芯片面积、工艺线宽、通态饱和压降、关断 时间、功率损耗等各项指标经历了不断的优化，断态电压也从 600V 提高到 6500V 以上。 IGBT 技术 不断更新是提高耐压水平和减小损耗以达到下游领域 的需求。采用新架构的 IGBT 通过降低关断时间和通态压降来减少功率损耗， 提高断态电压水平，同时新工艺使得面积更小，工作温度更高，成本更低。 表 3： IGBT 历代技术比较 代别 结构特征 关断时间 (us) 功率损耗 (相对值 ) 通态饱和压降 (伏 ) 改进点 IGBT1 平面穿通型 (PT) 0.5 100 600 容量小，速度低 IGBT2 改进平面穿通型 0.3 74 600 采用“电场终止技术”，增加“缓冲层” IGBT3 沟槽型 (Trench) 0.25 51 1200 采用 Trench 结构，增强导通能力 IGBT4 非穿通型 (NPT) 0.25 39 3300 采用离子注入来生成 P+集电极 IGBT5 电场截止型 (FS) 0.19 33 4500 IGBT4 结合“电场终止技术”，降低损耗 IGBT6 沟槽型电场 -截止 型 (FS-Trench) 0.15 29 6500 改进了沟槽栅结构，增强导通能力，减小损耗 资料来源：电力电子基础，国信证券经济研究所整理 IGBT 未来发展趋势主要薄片工艺，目的在于减小衬底电阻和较少热阻而达到进 一步减少损耗。在管芯上主要 增加 器件面积，提高电流密度。同时为了进一步 降低制造成本，硅片也从一开始的 5 英寸到现在主流的 8 英寸和 12 英寸，折 算后每颗芯颗成本可进一步降低。 图 17： IGBT 各代产品结构图 资料来源： 赛米控 ，国信证券经济研究所 整理 技术方面 。 在新能源汽车中 IGBT 应用范围一般在 电 压 600V 以上，电流 10A 以上 或 频率 1KHz 以上的区域，主要 对应 高电压环境的电力驱动系统，电机控 制系统及车载充电器，单车 IGBT 价值约 400 美元左右。 电力驱动系统 主要用在逆变器 DC-AC 中，将充电电池 12V 的直流电转换成为 驱动电机 220V 的交流电驱动电机工作 。 电机控制系统上需要用到几十个 IGBT， 从电池输出高电压后，需通过 DC-DC 变化为低电压后供汽车低压网络使用， 例 如特斯拉的三相交流异步电机，每相用 28 个 IGBT 累计 84 个，其他电机 12 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 12 个 IGBT，特斯拉总共用到 96 个 IGBT。 电控系统 是电动车价值量第二大单个部件，单个电动车中电控采购成本约为 3000-5000 元，其中 IGBT 在电控成本中占比高达 41%，是电控核心部件 ，其 功能 主要 是 完成 车载充电器上电流变化 。 除此之外， IGBT 亦用于空调系统， PCT 加热器等小功率逆变 部分 。 图 18： 电控系统的成本结构 资料来源： IHS Market， 英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 IGBT 市场 规模 空间 较 大 ， 全球 IGBT 市场 2018 年规模约为 62.24 亿美元，预 计 2025 年达到 95 亿美元 。 我国 IGBT 市场规模 2019 年达 155 亿元 ， 根据 Trendforce 预测，受益于新能源汽车和工业领域的需求大幅增加，中国 IGBT 市场规模将持续增长，预计到 2025 年中国 IGBT 市场规模将达到 526 亿元（ 75 亿美金），年复合增长率达 19.11%。 图 19： 全球 IGBT 市场规模（亿美元） 图 20： 中国 IGBT 市场规模（亿元） 资料来源：英飞凌， 有研咨询 ， 国信证券经济研究所整理 资料来源： GGII， EV-Sales，国信证券经济研究所整理 竞争格局 。 目前 IGBT 芯片基本都被外资垄断，我国 IGBT 高度依赖进口。根据 英飞凌对 2018 年全球市场格局的统计，模组端斯达半导 作为唯一国产公司跻 身前十位 ，市场占比 2.2%。 从汽车功率半导体公司上看 ， 前 5 大企业主要为英 飞凌、 STM 等外资企业， 市占率达到 63%， 整体市场 还是被海外垄断。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 13 图 21： 全球 IGBT 模组供应商前十名（ 2018） 图 22： 2019 年汽车功率半导体 龙头公司 资料来源：英飞凌， 有研咨询 ， 国信证券经济研究所整理 资料来源： GGII， EV-Sales，国信证券经济研究所整理 除斯达半导外，中车时代电气及比亚迪为国内 IGBT 自主研发领军企业。根据 2019 年国内车规级 IGBT 市场统计，前 10 名供应商中三家中国企业（比亚迪、 斯达半导、中车时代电气）的市场份额合计仅 20.4，国产化程度低 。 相对全 球整体市场，国内市场生态相对宽松，国产品牌获得相对更高的市场份额 。 表 4： 2019 年中国新能源汽车功率模块市场份额 企业名称 配套量（万套） 市场份额 Infenion 62.8 58.2% 比亚迪半导体 19.4 18% Mitsubishi 5.6 5.2% Semikron 3.3 3.0% 斯达半导 1.7 1.6% Denso 1.7 1.6% Valeo 1.4 1.3% Delphi 1.0 0.9% 中车时代电气 0.8 0.8% Toshiba 0.3 0.3% 资料来源： 前瞻产业研究院、贝壳投研 、国信证券经济研究所整理 整体上看 IGBT 市场空间大，且目前国产化程度低， 车规级 IGBT 国产化替代空 间大。目前国产龙头已进入头部市场， 且技术发展较快， 在政策和资本大力支 持下，国内厂商有望打开市场缺口占领部分市场份额。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 14 细分赛道二：第三代半导体 SiC 等器件 崭露头角 硅是半导体行业第一代基础材料，目前全球 95%以上的集成电路元器件是以硅 为衬底制造的。 半导体材料经过几十年的发展， 可以分为三代： 图 23： 功率半导体材料发展 资料来源： SEMI，国信证券经济研究所 整理 第一代半导体材料：锗、硅等单晶半导体材料，硅拥有 1.1eV 的禁带宽度以及 氧化后非常稳定的特性。 第二代半导体材料：砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料，砷化镓拥有 1.4 电 子伏特的禁带宽度以及比硅高五倍的电子迁移率。 第三代半导体材料：以碳化硅、氮化镓为代表的宽禁带半导体材料，有更高饱 和漂移速度和更高的临界击穿电压等突出优点，适合大功率、高温、高频、抗 辐照应用场合。 半导材料发展至今， 第一代硅材料半导体已经接近完美晶体 。 基于硅材料上器 件的设计和开发也经过了许多代的结构和工艺优化和更新，正在逐渐接近硅材 料的极限，基 于硅材料的器件性能提高的潜力愈来愈小。以氮化镓、碳化硅为 代表的第三代半导体具备优异的材料物理特性，为进一步提升电力电子器件的 性能提供了更大的空间。 表 5： 三代半导体材料特性参数比较 参数 单位 第一代 (Si) 第二代 (GaAs) 第三代（ SiC） 第三代 (GaN) 禁带宽度 eV 1.1 1.4 3.2 3.4 电子迁移率 cm2/Vs 1400 8500 900 1000 击穿电场 MV/cm 0.2 0.4 3 3.3 漂移速度 107/s 1 2 2 2.5 热传导率 W/cmK 1.3 0.5 3.7 1.3 资料来源： 赛 米诺，国信证券经济研究所整理 第三代半导体由于在物理结构上具有能级禁带宽的特点，又称为宽禁带半导体， 主要是以氮化镓和碳化硅为代表，其在半导体性能特征上与第一代的硅、第二 代的砷化镓有所区别，使得其能够具备高禁带宽度、高热导率、高击穿场强、 高电子饱和漂移速率等优势，从而能够开发出更适应高温、高功率、高压、高 频以及抗辐射等恶劣条件的小型化功率半导体器件，可有效突破传统硅基功率 半导体器件及其材料的物理极限。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 15 图 24： 宽禁带半导体更适用于高电压、高功率领域 资料来源： 英飞凌 ，国信证券经济研究所 整理 SiC 与 Si 相比，在耐高压、耐高温、高频等方面具备碾压优势，是材料端革命 性的突破 。 在 耐高压 方面， SiC 击穿场强是 Si 的 10 倍，这意味着同样电压等 级的 SiC MOSFET 晶圆的外延层厚度只需要 Si 的十分之一，对应的漂移区阻 抗大大降低，且 SiC 禁带宽度是 Si 的 3 倍，导电能力更强 。 在 耐高温 方面， SiC 热导率及熔点非常高，是 Si 的 2-3 倍 。在 高频 方面， SiC 电子饱和速度是 Si 的 2-3 倍，能够实现 10 倍的工作频率。 根据 Rohm 对 SiC MOSFET 在汽车应用中的进度预测，随着技术成熟， SiC MOSFET 将逐渐替代部分 Si MOSFET。 通过 采用全 SiC 功率模块制造的逆变 器可以使开关损耗降低 75（芯片温度为 150 C），逆变器尺寸下降 43%， 重量轻 6kg，最终汽车 连续续航距离增加 20-30%。 图 25： Rohm 对 SiC MOSFET 在汽车应用中的进度预测 图 26： SiC 功率模块 带来的 逆变器 升级 资料来源： Rohm， 国信证券经济研究所整理 资料来源： Rohm，国信证券经济研究所整理 目前 SiC 市场渗透率相对较低，根据 Cree 对 SiC 器件的预测， 18 年全球 SiC 的器件销售额 4.2 亿美元，预计在 2024 年达到 50 亿美元 。 特斯拉 2018 年将 SiC 用于 Model 3 后， 超过 90%电动车厂决定要用 SiC，整个电动汽车产业链 出现 SiC 缺货。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 16 图 27： 用于各模块的 SiC 功率器件市场情况 (百万美元 ) 资料来源： IHS Market， 英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 从竞争格局上看 ， Cree、 Rohm、 ST 都已形成了 SiC 衬底 -外延 -器件 -模块垂直 供应的体系 ， 而 Infineon、 Bosch、 On Semi 等厂商则购买 SiC 衬底，随后自 行进行外延生长并制作器件及模块。目前 SiC 市场的供给牢牢把控在衬底厂商 手里， Cree、 II-VI 及 Si-Crystal（ Rohm 旗下）合计占据了 90%的出货量，而 器件及模组的供应商中 Cree、 Rohm、 Infineon 及 ST 合计占据了超过 70%的 市场份额 ，但总体上由于市场目前还处于初期阶段，渗透率较低，未来几年的 竞争格局还有较大不确定性。 图 28： 全球 SiC 供应链 资料来源： IHS Market， 英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 目前我国 SiC 方面也有多个玩家加入，在材料端有多家公司进入赛道，例如天 科合达和山东天岳；在外延方面有瀚天天成、东莞天域、三安集成、中电科等 。 三安是目前第三代半导体布局最全的龙头企业，下游有多家整车厂商及功率器 件厂商都加入到该赛道中 。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 17 图 29： 国内 SiC 供应链 资料来源： IHS Market， 英飞凌 ， 国信证券经济研究所 整理 整体上看 SiC 功率器件市场渗透率较低，增速较快，目前 行业内企业 还处于跑 马圈地阶段，市场竞争格局存在不确定性，国内厂商有望在未来的增量市场中 获得一定份额。 请务必阅读正文之后的免责条款部分 全球视野 本土智慧 Page 18 国内 外 功率半导体代表公司 国内主要功率半导体公司 由于 车规级半导体市场门槛高，在 运行环境、器件稳定性、可靠性和故障率等 多方面均有严格要求 ，加之 汽车半导体产品生命周期通常要求 15 年以上（即整 车生命周期均能正常工作），供货周期则可能长达 30 年 ， 因此在汽车半导体行 业， IDM 模式是厂商主要发展模式 。国内代表性上市公司有： 斯达半导，比亚 迪 半导体 ，中车时代电气，三安光电 等 。 比亚迪 比亚迪半导体公司是比亚迪子公司，是中国最大的车规级 IGBT 厂商 。 公司主 要业务覆盖功率半导体、智能控制 IC、智能传感器及光电半导体的研发、生产 及销售， 以 IDM 模式，拥有 包含芯片设计、晶圆制造、封装测试和下游应用在 内的一体化经营全产业链。 根据科创板日报消息， 目前 比亚迪车规级的 IGBT 已到 5 代，碳化硅 MOSFET 已到 3 代 ， 自 有 SiC 产线 正在建设中 。 比亚迪旗 舰车型汉 EV 四驱版是国内首款批量搭载 SiC MOSFET 组件的车型，按照比亚 迪公布的计划，预计到 2023 年，其旗下电动车将实现碳化硅功率半导体全面 替代，整车性能在现有基础上再提升 10